专利名称：与脉冲燃气涡轮机系统相结合的旋转式机械往复滑动金属叶片空气泵和边界层燃气轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及这样一个技术领域，其中旋转式机械往复滑动金属叶片空 气泵和边界层涡轮机被结合成爆燃脉冲驱动的燃气涡轮机系统。
背景技术：
在爆燃脉冲(explosion-pulse)驱动的燃气涡轮机领域，例如在美国 专利6， 000， 214中提出的燃气涡轮机，涡轮机是爆燃驱动的改进型佩尔顿
(Peltcm)水轮，其具有在动能冲击和膨胀气体作用下穿过叶片座圈进行 强制移动的叶片。利用从外部安装在主涡轮和轴组件上的罗茨型叶片
(Roots-type lobe)鼓风机或滑动叶片鼓风机，来产生压縮空气。
叶片鼓风机具有两个轴，其驱动通过变速箱得到同步的两个叶片，因 此不能与脉冲驱动的燃气涡轮机的主轴进行机械结合。在商业使用的滑动 叶片鼓风机采用石墨叶片，通常每个转子是四个叶片，它们定位在转子上 的角槽中，使叶片在旋转过程中可以通过离心力延伸入泵腔内。叶片不会 经由泵轴和转子上的槽延伸穿过泵壳体的直径部，并且不能机械往复。而 且，它们易于在爆燃的反压作用下发生断裂或震裂。
从1906和1913年获得专利授权的Nikola Tesla涡旋涡轮机开始，边 界层现象和技术被用于多种应用场合已经一百多年了。边界层涡轮机应用 于所有类型的工作流体，其与离心式和轴流式涡轮机相同，工作流体保持 压力和流动恒定。
发明内容
本发明采用一种具有高压力脉冲工作流体的混合式边界层涡轮机。 根据本发明，旋转式往复滑动叶片空气泵和边界层涡轮机是与爆燃驱 动的燃气涡轮机系统的轴相结合。空气泵具有带有空腔的缸体，其具有容 置着带槽转子和旋转往复滑动叶片的两个端板。转子安装在带槽涡轮轴的中心上，所述轴使得往复滑动叶片可随着转子和轴在空腔壳体中的转动而 前后移动。壳体上的空腔与轴的中心线偏离，从而在转子与壳体壁之间形 成空间。转子和空腔的尺寸决定了每次回转的移动量。空气在空腔壳体的 进口被强制导入，并在出口被强制排出。随着转子和叶片顺时针旋转，进
气口和出气口分别以90度和270度角地进入和弓I出空腔壳体壁。
当旋转式机械往复金属叶片旋转经过空腔壳体壁上的进气口时，真空 使来自进气孔的充气强制移动，并使空腔中的空气强制移动到出气孔。每 次回转时，导入和排出充气两次。排出的空气经由止回阔进入歧管。歧管 将空气直接引入安装在涡轮壳体上的无阀型燃烧室。燃料喷入燃烧室的文 丘里孔内，燃料和空气混合物通过放电弧方式点燃。爆燃气体在文丘里管 中产生反压，并降低了流向燃烧室的空气流动；歧管中的空气由此被暂时 重新引入到相反的燃烧室。主爆燃脉冲经由喷嘴排出燃烧室，所述喷嘴将 热的高速/轻质的膨胀气体引向边界层燃气涡轮机的叶片，从而迫使涡轮、 轴和滑动叶片转子旋转，产生连续充入燃烧空气。
本发明采用具有单个旋转式机械往复滑动金属叶片的空气压縮机或鼓 风机。叶片可滑动地容纳在带槽转子和带槽轴上。与壳体壁进行的接触， 通过机械方式迫使叶片以往复运动方式在槽内穿过空腔壳体的直径部前后 移动，从而每次回转导入和排出两次脉冲空气。
本发明采用脉冲充气，以在与燃料混合并以放电弧方式在燃烧室中得 到点燃时产生爆燃，从而产生从燃烧室中以高速经由喷嘴排出的爆燃力。
本发明还采用混合式边界层燃气涡轮机转轮，作为将高温、高压以及 高速工作流体转化成轴功率的装置。常规的边界层涡轮机包括利用盘之间 的隔套而螺栓连接在一起的一系列混合盘。本发明的混合边界层涡轮机采 用实心轮，其中凹槽通过机加工形成在其外表面上。
参照示出优选实施方式的附图，将进一步论述本发明的原理。图中表 示的详细方案被用于示例，而不是限制本发明的各个方面。
在附图中
图1是旋转式往复滑动叶片空气泵、空壳体、带槽转子、带槽轴和滑 动叶片的横截面图；图2是边界层燃气涡轮机转轮的端视图，显示了由转轮的周边中的凹 槽所形成的叶片；
图3是爆燃驱动的边界层燃气涡轮机系统的横截面图，所述涡轮机系 统利用由旋转式往复滑动叶片空气泵和将燃烧空气输送到发动机燃烧室的 歧管所产生的脉冲燃烧空气；以及
图4是图1-3所示的部件得到组装后的侧视图。
具体实施例方式
在本发明的优选实施方式中，图1所示的旋转式往复滑动叶片空气泵、 以及两个边界层燃气涡轮机(图2显示了其中之一)相结合，以形成图3-4 所示的爆燃驱动的燃气涡轮机系统。
参照图l，旋转式往复滑动叶片空气泵包括壳体ll，该壳体ll具有安 装在带槽轴13上的带槽转子12。壳体11具有空腔，其中心偏离开轴13的 中心线，由此在转子12与空腔壁之间形成了偏心环形空间。单个的机械往 复滑动金属叶片14定位在带槽转子12中，以延伸穿过壳体11的空腔15 的直径部。叶片的尺寸被设计成使得，当转子转动时，叶片的两个端部都 接触空腔壁。空腔壁为大致圆筒形的；然而，如果需要也可以制成略微的 非圆筒形，以保持在所有点处的均匀叶片接触。
进气通道16从壳体11的顶部成90度角地延伸穿过空腔壁15。出气通 道17从壳体11的顶部以270度角地延伸穿过空腔壁15。当带槽轴13和带 槽转子12顺时针旋转时，空气被机械往复滑动金属叶片14经由进气通道 16强制吸入偏心空间，并随后被机械往复滑动金属叶片14强制移动到进气 通道17内。由此，旋转式往复滑动叶片每次回转将产生两次充气(two charges of air)。
参照图2，边界层燃气涡轮组件中的每一个都包括布置在紧密装配的壳 体内的圆盘23。盘的中心平面的任意一侧上的中心部分被磨铣以形成飞轮。 盘在其中心具有孔，并被安装在带槽轴13上。盘23的外周具有一系列深 的圆周凹槽，它们构成了其表面位于径向平面上的圆周叶片24。凹槽的深 度和数量、以及盘23的周边决定了叶片的总表面面积。
当高速燃烧气体进入凹槽时，叶片壁上的摩擦拖曳力驱动并使涡轮盘 23加速。当涡轮的圆周速度达到高速气体的速度时，边界层形成在叶片表面上，从而保持涡轮盘23的速度。
如图3所示，边界层燃气涡轮23位于涡轮壳体30内。涡轮23安装在 主轴13上。燃烧室20和21安装在壳体30上，并且电弧极31和32位于 燃烧室20和21中。从机械往复滑动金属叶片空气泵引出的出口向中心歧 管22供给燃烧空气，所述中心歧管22将燃烧空气引向燃烧室20和21。在 燃烧空气流过进入燃烧室20和21内的文丘里管时，燃料喷射器18和19 将燃料与燃烧空气混合。电弧极31和32随后引燃燃料-空气的混合物，从 而产生高压和高速的工作流体。气体喷嘴25和28以一定角度在壳体30开 孔，从而将来自燃烧室20和21的燃烧得到的高压和高速气体引向边界层 燃气涡轮的叶片24。气体在叶片24之间流动，从而在叶片表面上形成摩擦 拖曳力。壳体30上的废气出口 26和27在喷嘴25和28下游成90度角地 进行定位，废气歧管33和33'将废气从涡轮24排入大气。
如图4所示，所述各个部件在两个边界层燃气涡轮壳体30和30A之间 的中心处与空气泵壳体11进行组装。那些部件和端部支承板37和38都定 位在共用主轴13上，由衬垫36分隔，并利用定位在壳体ll、 30、 30A的 所有角部处的四个系紧螺栓35以及端部支承板37和38而保持在一起。整 个组件安装在共用结构(例如底板34)上，以保持刚性。
由于本发明可以进行变型和改变，因此上述描述和附图被解释为仅是 示例的，而本发明由附加权利要求所限定。
权利要求
1.一种内燃机，包括支承着旋转轴的壳体，具有空气进口和空气出口的空气泵；所述空气泵由所述旋转轴驱动，以在每次回转时产生两次压缩空气脉冲，以及至少一个涡轮组件，其中每个涡轮组件包括一对无阀型燃烧室，它们各自通过歧管而与所述空气出口相连；其中，每个燃烧室具有将燃料导入到压缩空气中的装置，所述压缩空气进入到燃烧室内，每个燃烧室还具有点燃在燃烧室内的燃料-空气混合物的装置，以及由来自燃烧室的燃烧空气所驱动的涡轮机；所述涡轮机在所述旋转轴上被安装到所述空气泵的一侧。
2. 如权利要求l所述的内燃机，其特征在于，所述空气泵包括 壳体，其壳体壁限定了空腔，其中穿过所述壳体壁形成了空气进口和空气出口；所述空腔的中心偏离开所述轴的中心线，固定在轴上从而在空腔内转动的转子；其中，所述转子和所述壳体壁 在两者之间形成偏心环形空间；所述转子和轴具有在直径方向上延伸的对 准槽，可滑动地布置在所述对准槽中的单个金属叶片，所述叶片的尺寸被设计成使得叶片的两端接触着壳体壁，进而使得当转子在所述空腔内转动时，叶片通过所述空气进口将空气吸入到偏心环形空间内，并通过所述空 气出口将空气排出偏心环形空间。
3. 如权利要求3所述的内燃机，其特征在于，所述涡轮机是边界层涡 轮机，其周边限定了多个圆周凹槽，所述圆周凹槽在其中限定了多个圆周 叶片；所述圆周叶片具有足够的表面面积，以使得在燃烧气体被引向涡轮 机时形成边界层。
4. 如权利要求3所述的内燃机，其特征在于，所述涡轮组件包括两个涡轮组件，其中，在所述空气泵的两侧各自包括一个涡轮组件。
5. 如权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述涡轮组件包括两个 涡轮组件，其中，在所述空气泵的两侧各自包括一个涡轮组件。
6. 如权利要求l所述的内燃机，其特征在于，所述涡轮组件包括两个 涡轮组件，其中，在所述空气泵的两侧各自包括一个涡轮组件。
全文摘要
旋转式机械往复滑动叶片空气泵与位于单个轴上的脉冲驱动式边界层燃气涡轮机相结合。所述轴开有槽，并与机械驱动着往复滑动金属叶片的开槽转子相对准。壳体上的空腔与轴的中心线偏离，从而在转子与空腔壁之间形成空腔。空气在空腔壳体的进口处被强制导入，并在出口处被强制排出。进气口和出气口分别以90度角和270度角地进入和引出空腔壳体壁。压缩空气经由歧管导入被安装在涡轮壳体的侧壁上的燃烧室内。电弧极引燃了燃料-空气混合物，从而产生经由喷嘴排入到边界层气体涡轮机的叶片内的高温和高压脉冲工作流体。
文档编号F02B71/04GK101652546SQ200880011557
公开日2010年2月17日 申请日期2008年11月21日 优先权日2007年11月30日
发明者R·斯克拉格 申请人:R·斯克拉格